Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 28) – Stima dell’aumento transitorio della temperatura in un MOSFET hot-swap – Parte 1

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 

In questo articolo e nel successivo viene illustrato un metodo semplice di stima dell’aumento transitorio della temperatura in un MOSFET hot-swap. Un circuito hot-swap serve a limitare la corrente di spunto e quindi per evitare di ridurre la tensione sul bus e disturbare i dispositivi ad esso collegati.quando si inserisce in un bus di tensione un dispositivo con ingresso capacitivo. Il circuito di hot swap ottine questo effetto controllando il tempo di carica del carico capacitivo mediante un elemento in serie; in quest’ultimo si dissipa quindi una notevole potenza, per cui la sua temperatura aumenta durante la carica.

Fig. 1 – Le curve SOA di un MOSFET offrono un punto di partenza per la determinazione della dissipazione di energia accettabile

La maggior parte dei produttori di dispositivi hot-swap suggerisce di consultare le curve SOA (safe operating area, area di funzionamento di sicurezza) per prevenire uno stress eccessivo di potenza. Le curve SOA nella figura 1 mostrano le regioni in cui le perdita di energia e potenza sono accettabili e in genere si tratta di una stima molto prudente. La precauzione essenziale per un MOSFET è che la sua temperatura di giunzione non deve superare il massimo valore nominale. Le curve permettono di osservare che il dispositivo può tollerare brevi periodi di alta perdita di potenza grazie alla sua capacità termica. Ciò può facilitare lo sviluppo di un modello termico preciso per una stima più vicina al caso reale.

Nel Suggerimento sull’alimentazione 9, abbiamo illustrato un circuito elettrico equivalente per la stima delle prestazioni termiche di un sistema, sottolineando che esiste un’analogia tra calore e corrente, temperatura e tensione, resistenza termica ed elettrica. Nel presente articolo aggiungiamo un’analogia tra capacità termica ed elettrica. Se un materiale avente una data massa viene riscaldato, l’aumento di temperatura del materiale può essere calcolato in funzione dell’energia (Q), della massa (m) e del calore specifico (c):

Poiché l’energia è pari semplicemente all’integrale della potenza nel tempo:

combinando le due equazioni si ottiene la grandezza termica analoga (m*c) alla capacità elettrica:

La tabella 1 presenta alcuni materiali comuni insieme ai corrispondenti valori di calore specifico e densità, che possono essere utili per la modellazione delle capacità termiche in un circuito hot-swap.

Tab. 1 – Proprietà fisiche di alcuni materiali comuni

La capacità termica si calcola semplicemente stimando le dimensioni dei vari componenti del sistema da modellare, poiché è uguale al prodotto volume x densità x calore specifico del componente. Risulta così possibile costruire il modello illustrato nella Figura 2.

Fig. 2 – Capacità termiche aggiunte al circuito elettrico DC analogo

Il modello è caratterizzato da un generatore di corrente, analogo al calore trasmesso al sistema. Si genera una corrente sia nella capacità termica che nella resistenza termica del chip; da quest’ultimo, il calore si trasmette nel leadframe e nel materiale di incapsulamento del contenitore. Dal leadframe il calore si trasmette nell’interfaccia tra il contenitore e il dissipatore di calore, e da quest’ultimo nell’ambiente termico. Le tensioni nei vari punti della rete rappresentano l’aumento di temperatura rispetto all’ambiente.

Nella rete sono indicate stime di prima approssimazione delle resistenze e capacità termiche. Questo modello è adatto per simulazioni DC e transitorie, e consente di andare un po’ oltre le stime prudenti delle curve SOA pubblicate dal produttore. Nel prossimo articolo continueremo a illustrare gli elementi di un circuito hot-swap e valuteremo alcune delle costanti di tempo termiche del circuito equivalente costruito.

Per ulteriori informazioni su questa e altre soluzioni per gli alimentatori, visitare: www.ti.com/power-ca

Per contattare Robert Kollman: powertips@list.ti.com

Robert Kollman, Texas Instruments

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